CN110779363B - 一种液态金属微纳液滴为工质的脉动热管 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种液态金属微纳液滴为工质的脉动热管，包括脉动热管，所述脉动热管的工质是主要由液态金属和表面活性剂溶液组成的混合工质，所述液态金属被所述表面活性剂包覆，其中，所述脉动热管的蒸发段在加热条件下，产生大量微小气泡，所述液态金属被产生的气泡分散成多个具有微纳尺度的液态金属液滴，所述液态金属液滴分散在所述表面活性剂溶液中，所述液态金属液滴在所述脉动热管运行阶段自发产生；所述液态金属液滴为毫米级液滴、微米级液滴和纳米级液滴。本发明的脉动热管结合液态金属超高热导率和液态金属微纳液滴能产生局部微对流等特性，可显著提高脉动热管的传热性能和承载热负荷的能力。

Description

一种液态金属微纳液滴为工质的脉动热管

技术领域

本发明涉及脉动热管研究技术领域，具体而言，尤其涉及一种液态金属微纳液滴为工质的脉动热管,应用于电子元件高效散热、工业余热回收和过程热量交换等技术领域。

背景技术

随着超大规模集成电路的发展，局部热流密度逐渐升高，若不能及时有效散热，则会引起芯片温度过高导致性能下降。因此微小尺寸下高热流密度的散热是制约集成电路发展的主要瓶颈。现有用以提高散热效率的传统方法已几乎达到极限，缺乏新的有效散热方法已经成为制约新技术发展的主要瓶颈之一。因此，开展高热流密度下的高效散热技术研究是非常紧迫和必要的。脉动热管作为热管家族的特殊一员，有着与普通热管完全不同的工作机制，具有众多独特的优点，脉动热管耦合了相变传热和对流传热两种传热方式，有效热导率较高，已经成为未来高热流密度下散热问题最具前景的技术解决方案之一。

脉动热管的传热方式主要为蒸发段和冷凝段液弹振荡运动的显热传热。脉动热管的工质性质及流动状态显著影响脉动热管的传热性能，选择高热导率的工作介质将显著提高脉动热管的传热性能。液态金属(镓及其合金)是一种兼具金属高热导率和液体流动性的特殊材料，其热导率是水的几十倍，美国国家宇航局(NASA)于2014年将“液态金属冷却”列为未来前沿技术。研究发现使用液态金属和水为工质的脉动热管，脉动热管的传热性能明显提高(参见：Hao等，Journal of Heat Transfer,2019,141(7):071802)。液态金属还具有一独特性质，在气泡和表面活性剂溶液的作用下，液态金属镓能分散成尺寸为几十纳米至几千微米的液态金属液滴，形成一种以液态金属微纳液滴为工质的脉动热管。表面活性剂附着在液态金属液滴表面，使液态金属液滴更加稳定的存在。因此，发明一种液态金属微纳液滴工质的脉动热管将为解决微小尺寸下高热流密度的快速散热问题提供一种新的思路与高效方案，同时为高效脉动热管的研究开辟新的方向。

发明内容

根据上述提出随着超大规模集成电路的发展，局部热流密度逐渐升高，由于不能及时有效散热，引起芯片温度过高导致性能下降，微小尺寸下高热流密度的散热制约了集成电路的发展的技术问题，而提供一种液态金属微纳液滴为工质的脉动热管。本发明主要通过液态金属微纳液滴工质提高脉动热管的传热性能，传统脉动热管的工质主要包括：水、乙醇、丙酮及其混合物和纳米流体等。工质引入液态金属，利用液态金属超高热导率的特点，同时在表面活性剂的作用下，液态金属分散成稳定存在的微纳液滴，利用此液态金属微纳液滴为工质的脉动热管，从而显著提高脉动热管的传热能力和承载热负荷的能力。

本发明采用的技术手段如下：

一种液态金属微纳液滴为工质的脉动热管，包括脉动热管，所述脉动热管的工质是主要由液态金属和表面活性剂溶液组成的混合工质，所述表面活性剂溶液由表面活性剂和水组成，所述液态金属被所述表面活性剂包覆，其中，所述脉动热管的蒸发段在加热条件下，产生大量微小气泡，所述液态金属被产生的气泡分散成多个具有微纳尺度的液态金属液滴，所述液态金属液滴分散在所述表面活性剂溶液中，所述表面活性剂的存在降低了溶液的表面张力，使液态金属液滴不易合并，形成稳定存在的微纳液滴；所述液态金属液滴在所述脉动热管运行阶段自发产生，脉动热管可使液态金属液滴在相变传热的压力差驱动下实现自发运动；所述液态金属液滴包括毫米级液滴、微米级液滴和纳米级液滴，所述液态金属液滴的尺寸分布从毫米级至纳米级。

进一步地，所述液态金属液滴尺寸具有一定分布范围，所述毫米级液滴、微米级液滴和纳米级液滴同时存在或微米级液滴和纳米级液滴同时存在。

进一步地，所述液态金属为在20℃-50℃温度下呈液态的镓、铟、或锡中的一种，或一种以上的组合形式。即所述液态金属为在20℃-50℃温度下呈液态的金属单质或金属混合物，所述金属单质为镓、铟或锡的一种，所述金属混合物为镓、铟或锡中至少两种金属的合金。

进一步地，所述表面活性剂至少为阴离子表面活性剂、阳离子表面活性剂或非离子表面活性剂中的一种，或一种以上的组合形式；所述阴离子表面活性剂为包含8-16个碳原子的烷基硫酸盐，或包含8-16个碳原子的烷基磺酸盐，或包含8-16个碳原子的烷基苯磺酸盐；所述阳离子表面活性剂为包含8-18个碳原子的烷基二甲胺氧化物；所述非离子表面活性剂为聚乙二醇或聚乙二醇辛基苯基醚中的一种，或一种以上的组合形式，其中，所述聚乙二醇的分子量为2000-10000。

进一步地，所述脉动热管工质为液态金属和表面活性剂溶液混合工质，液态金属分散成微纳液滴，液态金属是混合工质的分散相，表面活性剂溶液是混合工质的连续相，在脉动热管运行阶段，所述液态金属微纳液滴分散在表面活性剂溶液中，液态金属被表面活性剂包覆。添加表面活性剂，连续相的表面张力显著降低，能有效增强脉动热管内工质的润湿性能。添加的表面活性剂能附着在液态金属微纳液滴的表面，确保液态金属微纳液滴长期稳定存在。

进一步地，所述液态金属液滴在随流体流动过程中会形成局部振荡运动，形成局部微对流，进一步提高工质的传热能力。

进一步地，所述液态金属液滴脉动热管结合了液态金属和水两种流体热传导的优势，液态金属主要以热传导的方式传递热量，水主要以对流的方式传递热量。所述脉动热管耦合了两种流体的传热优势，与普通工质脉动热管相比，液态金属微纳液滴脉动热管的传热性能显著提高。

进一步地，所述脉动热管的弯管数大于或等于6。

进一步地，所述脉动热管的操作方向与水平方向的夹角为0°-90°。

进一步地，所述脉动热管的加热方式与所述脉动热管的弯管数相关。脉动热管的弯管数为6-12时，脉动热管的操作方向与水平方向夹角范围为10°-90°(与水平方向间的夹角90°为垂直底部加热方向)；脉动热管弯管数为13及其以上时，脉动热管的操作方向与水平方向夹角范围为0°-90°。

进一步地，所述脉动热管的基材为紫铜、不锈钢或特氟龙材料。

进一步地，所述脉动热管的基材为紫铜、不锈钢或特氟龙板式脉动热管，通过机械加工的方式加工脉动热管的通道。脉动热管稳定运行阶段，通过高速摄像观测脉动热管中液态金属液滴的运动规律和尺寸分布，分析处理得到液滴的尺寸分布结果。由于采集图片的像素限制，高速摄像机采集的图片只对直径大于50μm的微米级液态金属液滴进行统计。实验结束后对脉动热管的工质进行详细测试分析，通过纳米粒度电位仪分析工质中液态金属纳米液滴的尺寸分布。

进一步地，所述脉动热管混合工质的总体积充液率范围为30％-80％，其中，所述混合工质中所述液态金属所占质量分数为10％-60％，所述表面活性剂溶液所占质量分数为40％-90％，所述表面活性剂溶液中所述表面活性剂的质量浓度为0.01％-5％。

进一步地，所述脉动热管的工作温度范围为30℃-100℃。

进一步地，所述脉动热管的水力直径为2mm-4mm；所述脉动热管内的通道形状为矩形、正方形或圆形。

进一步地，所述液态金属液滴的尺寸与脉动热管的工作温度、输入功率和表面活性剂的种类和浓度紧密相关，可通过调整表面活性剂种类、浓度及加热功率来调节液态金属液滴的尺寸分布，提高脉动热管的冷却温控能力。

较现有技术相比，本发明具有以下优点：

1、本发明提供的液态金属微纳液滴为工质的脉动热管，通过液态金属微纳液滴工质提高脉动热管的传热性能，传统脉动热管的工质主要包括：水、乙醇、丙酮及其混合物和纳米流体等。工质引入液态金属，利用液态金属超高热导率的特点，同时在表面活性剂的作用下，液态金属分散成稳定存在的微纳液滴，利用此液态金属微纳液滴为工质的脉动热管，从而显著提高脉动热管的传热能力和承载热负荷的能力。

2、本发明提供的液态金属微纳液滴为工质的脉动热管，液态金属微纳液滴在脉动热管内能自动产生，并可通过调整表面活性剂种类、浓度及加热功率来调节液态金属液滴的尺寸分布，提高脉动热管的冷却温控能力。

3、本发明提供的液态金属微纳液滴为工质的脉动热管，脉动热管工质为液态金属和表面活性剂溶液混合工质，液态金属的热导率是普通工质的几十甚至几百倍，能有效提高脉动热管工质的热导率。

4、本发明提供的液态金属微纳液滴为工质的脉动热管，脉动热管工质为液态金属和表面活性剂溶液混合工质，液态金属分散成微纳液滴，液态金属为分散相，表面活性剂溶液为连续相，添加表面活性剂，连续相的表面张力显著降低，能有效增强脉动热管内工质的润湿性能。添加的表面活性剂能附着在液态金属微纳液滴的表面，确保液态金属微纳液滴长期稳定存在。

5、本发明提供的液态金属微纳液滴为工质的脉动热管，液态金属微纳液滴在随流体流动过程中会形成局部振荡运动，形成局部微对流，进一步提高工质的传热能力。

6、本发明提供的液态金属微纳液滴为工质的脉动热管，液态金属微纳液滴脉动热管结合了液态金属和水两种流体热传导的优势，液态金属主要以热传导的方式传递热量，水主要以对流的方式传递热量。脉动热管耦合了两种流体的传热优势，与普通工质脉动热管相比，液态金属微纳液滴脉动热管的传热性能显著提高。

综上，应用本发明的技术方案能够解决现有技术中的随着超大规模集成电路的发展，局部热流密度逐渐升高，由于不能及时有效散热，引起芯片温度过高导致性能下降，微小尺寸下高热流密度的散热制约了集成电路的发展的问题。

基于上述理由本发明可在使用脉动热管传热的高热通量下的微电子芯片散热冷却、工业余热回收和过程热量交换等领域广泛推广。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明中液态金属微纳液滴脉动热管运行时的示意图。

图2为本发明中液态金属微纳液滴脉动热管运行时的效果图。

图3为本发明中脉动热管稳态运行时液态金属微纳液滴的一种尺寸分布图。

图4为本发明中脉动热管稳态运行时液态金属微纳液滴的一种尺寸分布图。

图5为本发明中脉动热管稳态运行时液态金属微纳液滴的一种尺寸分布图。

图6为本发明中一种液态金属微纳液滴脉动热管在不同加热功率下的液态金属液滴尺寸分布图。

图7为本发明中一种液态金属微纳液滴脉动热管在不同加热功率下的液态金属液滴的效果图。

图8为本发明中一种液态金属微纳液滴脉动热管在不同表面活性剂浓度下的液滴尺寸分布图。

图9为本发明中脉动热管内工质中液态金属纳米级液滴的一种尺寸分布图。

图10为本发明中相同充液率下液态金属微纳液滴脉动热管和纯水脉动热管的热阻对比图。

图11为本发明中液态金属微纳液滴脉动热管的传热强化效率图。

图中：1、液相；2、液态金属微纳液滴；3、气泡。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。同时，应当清楚，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员己知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任向具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。

在本发明的描述中，需要理解的是，方位词如“前、后、上、下、左、右”、“横向、竖向、垂直、水平”和“顶、底”等所指示的方位或位置关系通常是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制：方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外。

为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其位器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。

此外，需要说明的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。

如图1-2所示，本发明提供了一种液态金属微纳液滴为工质的脉动热管，包括脉动热管，所述脉动热管的工质包括但不限于表面活性剂溶液和液态金属或液态金属的合金的混合工质，所述表面活性剂溶液由表面活性剂和水组成，所述液态金属被所述表面活性剂包覆，其中，所述脉动热管的蒸发段在加热条件下，产生大量微小气泡3，所述液态金属被产生的气泡3分散成多个具有微纳尺度的液态金属液滴，所述液态金属液滴分散在所述表面活性剂溶液中，所述表面活性剂的存在降低了溶液的表面张力，使液态金属液滴不易合并，形成稳定存在的微纳液滴；所述液态金属液滴在所述脉动热管运行阶段自发产生，脉动热管可使液态金属液滴在相变传热的压力差驱动下实现自发运动；所述液态金属液滴包括毫米级液滴、微米级液滴和纳米级液滴，所述液态金属液滴的尺寸分布从毫米级至纳米级。

所述液态金属液滴尺寸具有一定分布范围，所述毫米级液滴、微米级液滴和纳米级液滴同时存在或微米级液滴和纳米级液滴同时存在。

所述液态金属为在20℃-50℃温度下呈液态的镓、铟、或锡中的一种，或一种以上的组合形式。即所述液态金属为在20℃-50℃温度下呈液态的金属单质或金属混合物，所述金属单质包括但不限于镓、铟和锡，所述金属混合物包括但不限于镓、铟和锡中至少两种金属的合金。

所述表面活性剂至少为阴离子表面活性剂、阳离子表面活性剂或非离子表面活性剂中的一种，或一种以上的组合形式；所述阴离子表面活性剂包括但不限于包含8-16个碳原子的烷基硫酸盐，或包含8-16个碳原子的烷基磺酸盐，或包含8-16个碳原子的烷基苯磺酸盐；所述阳离子表面活性剂包括但不限于包含8-18个碳原子的烷基二甲胺氧化物；所述非离子表面活性剂包括但不限于聚乙二醇、聚乙二醇辛基苯基醚和它们的混合物，其中，所述聚乙二醇的分子量为2000-10000。

所述脉动热管工质为液态金属和表面活性剂溶液混合工质，液态金属分散成微纳液滴，液态金属是混合工质的分散相，表面活性剂溶液是混合工质的连续相，在脉动热管运行阶段，所述液态金属微纳液滴2分散在表面活性剂溶液中，液态金属被表面活性剂包覆。添加表面活性剂，连续相的表面张力显著降低，能有效增强脉动热管内工质的润湿性能。添加的表面活性剂能附着在液态金属微纳液滴2的表面，确保液态金属微纳液滴2长期稳定存在。

所述液态金属液滴在随流体流动过程中会形成局部振荡运动，形成局部微对流，进一步提高工质的传热能力。

所述液态金属液滴脉动热管结合了液态金属和水两种流体热传导的优势，液态金属主要以热传导的方式传递热量，水主要以对流的方式传递热量。所述脉动热管耦合了两种流体的传热优势，与普通工质脉动热管相比，液态金属微纳液滴脉动热管的传热性能显著提高。

所述脉动热管的弯管数大于或等于6。

所述脉动热管的操作方向与水平方向的夹角为0°-90°。

所述脉动热管的加热方式与所述脉动热管的弯管数相关。脉动热管的弯管数为6-12时，脉动热管的操作方向与水平方向夹角范围为10°-90°(与水平方向间的夹角90°为垂直底部加热方向)；脉动热管弯管数为13及其以上时，脉动热管的操作方向与水平方向夹角范围为0°-90°。

所述脉动热管的基材为紫铜、不锈钢或特氟龙材料。

所述脉动热管的基材为紫铜、不锈钢或特氟龙板式脉动热管，通过机械加工的方式加工脉动热管的通道。脉动热管稳定运行阶段，通过高速摄像机观测脉动热管中液态金属液滴的运动规律和尺寸分布，分析处理得到液滴的尺寸分布结果，其中，高速摄像机选用日本的Photron Fastcam Apx-Rs。由于采集图片的像素限制，高速摄像机采集的图片只对直径大于50μm的微米级液态金属液滴进行统计。实验结束后对脉动热管的工质进行详细测试分析，通过纳米粒度电位仪分析工质中液态金属纳米液滴的尺寸分布，其中，纳米粒度电位仪选用美国的Malvern Zetasizer Nano ZS90。

所述脉动热管混合工质的总体积充液率范围为30％-80％，其中，所述混合工质中所述液态金属所占质量分数为10％-60％，所述表面活性剂溶液所占质量分数为40％-90％，所述表面活性剂溶液中所述表面活性剂的质量浓度为0.01％-5％。

所述脉动热管的工作温度范围为30℃-100℃。

所述脉动热管的水力直径为2mm-4mm；所述脉动热管内的通道形状为矩形、正方形或圆形。

所述液态金属液滴的尺寸与脉动热管的工作温度、输入功率和表面活性剂的种类和浓度紧密相关，可通过调整表面活性剂种类、浓度及加热功率来调节液态金属液滴的尺寸分布，提高脉动热管的冷却温控能力。

实施例1

如图1所示，为液态金属微纳液滴脉动热管运行时的示意图。如图2所示，液态金属微纳液滴脉动热管运行时的效果图。图中脉动热管的基材是紫铜，弯管数为6，操作方向与水平水平方向的夹角为90°，即脉动热管为垂直底部加热方式，脉动热管通道的横截面形状为正方形，且通道的水力直径为3mm。脉动热管的工作介质为镓锡铟合金(该镓锡铟合金中镓、铟、锡的质量分数分别为68.5％、21.5％和10％)和十二烷基苯磺酸钠阴离子表面活性剂溶液。脉动热管混合工质的总体积充液率为70％，其中，混合工质中液态金属填充量占总工质充液量的20％(质量分数)，表面活性剂溶液所占质量分数为80％，该表面活性剂溶液中表面活性剂的质量浓度是0.4％，加热功率为340W。由图1和图2可知，蒸发段产生大量小气泡3，液态金属被产生的气泡3分散成多个微纳尺度液滴，由于表面活性剂的存在，产生的小气泡3和液态金属微纳液滴2稳定存在于液相1中。

实施例2

为了对液态金属液滴尺寸分布进行详细分析，对脉动热管进行可视化实验研究。脉动热管稳定运行阶段，通过高速摄像机观测脉动热管中液态金属液滴的运动规律和尺寸分布，分析处理得到液滴的尺寸分布结果，其中，高速摄像机选用日本的Photron FastcamApx-Rs。由于采集图片的像素限制，高速摄像机采集的图片只对直径大于50μm的微米级液态金属液滴进行统计。实验结束后对脉动热管的工质进行详细测试分析，通过纳米粒度电位仪分析工质中液态金属纳米液滴的尺寸分布，其中，纳米粒度电位仪选用英国的MalvernZetasizer Nano ZS90。

如图3所示，本实施例中，脉动热管的工作介质为液态金属和表面活性剂溶液的混合工质，脉动热管运行阶段，液态金属自动分散成微纳尺度液态金属液滴。其中，脉动热管的基材是紫铜，弯管数为6，操作方向与水平水平方向的夹角为90°，脉动热管通道的横截面形状为正方形，且通道的水力直径为3mm。脉动热管的工作介质为镓锡铟合金(该镓锡铟合金中镓、铟、锡的质量分数分别为68.5％、21.5％和10％)和十二烷基苯磺酸钠阴离子表面活性剂溶液。脉动热管混合工质的总体积充液率为70％，其中，混合工质中液态金属填充量占总工质充液量的20％(质量分数)，表面活性剂溶液所占质量分数为80％，该表面活性剂溶液中表面活性剂的质量浓度是0.4％。由图3可知，脉动热管加热功率为260W时，液态金属液滴的尺寸分布统计结果显示液态金属液滴的半径范围为0.2mm至1.1mm，半径的平均值为0.6mm。

实施例3

如图4所示，本实施例中，脉动热管的基材是紫铜，弯管数为6，操作方向与水平水平方向的夹角为90°，脉动热管通道的横截面形状为正方形，且通道的水力直径为3mm。脉动热管的工作介质为镓锡铟合金(该镓锡铟合金中镓、铟、锡的质量分数分别为68.5％、21.5％和10％)和十二烷基苯磺酸钠阴离子表面活性剂溶液。脉动热管混合工质的总体积充液率为70％，其中，混合工质中液态金属填充量占总工质充液量的20％(质量分数)，表面活性剂溶液所占质量分数为80％，该表面活性剂溶液中表面活性剂的质量浓度是0.4％。由图4可知，脉动热管加热功率为340W时，液态金属液滴的尺寸分布统计结果显示液态金属液滴的半径范围为0.1mm至0.5mm，半径的平均值为0.3mm。

实施例4

如图5所示，本实施例中，脉动热管的基材是紫铜，弯管数为6，操作方向与水平水平方向的夹角为90°，脉动热管通道的横截面形状为正方形，且通道的水力直径为3mm。脉动热管的工作介质为镓锡铟合金(该镓锡铟合金中镓、铟、锡的质量分数分别为68.5％、21.5％和10％)和十二烷基苯磺酸钠阴离子表面活性剂溶液。脉动热管混合工质的总体积充液率为70％，其中液态金属填充量占总工质充液量的20％(质量分数)，表面活性剂溶液所占质量分数为80％，该表面活性剂溶液中表面活性剂的质量浓度是2％。由图5可知，脉动热管加热功率为340W时，液态金属液滴的尺寸分布统计结果显示液态金属液滴的半径范围为0.2mm至1mm，半径的平均值为0.4mm。

实施例5

本实施例中，图6为一种液态金属微纳液滴脉动热管在不同加热功率下的液态金属液滴尺寸分布图，图7是一种液态金属微纳液滴脉动热管在不同加热功率下的液态金属液滴的效果图，即对应的液态金属液滴的可视化图片，考察加热功率对液态金属液滴尺寸的影响。脉动热管的基材是紫铜，弯管数为6，操作方向与水平水平方向的夹角为90°，脉动热管通道的横截面形状为正方形，且通道的水力直径为3mm。脉动热管的工作介质为镓锡铟合金(该镓锡铟合金中镓、铟、锡的质量分数分别为68.5％、21.5％和10％)和十二烷基苯磺酸钠阴离子表面活性剂溶液。脉动热管混合工质的总体积充液率为70％，其中，混合工质中液态金属填充量占总工质充液量的20％(质量分数)，表面活性剂溶液所占质量分数为80％，该表面活性剂溶液中表面活性剂的质量浓度是0.4％，加热功率为220W至380W。由图6和图7可知，随着加热功率的升高，蒸发段生成的气泡3数量和频率增加，生成气泡3的剧烈程度增加，液态金属被分散，液滴的尺寸减小，加热功率在300W以上时，半径大于1mm的液态金属液滴消失，液态金属液滴半径均小于1mm。

实施例6

本实施例中，图8是一种液态金属微纳液滴脉动热管在不同表面活性剂浓度下的液滴尺寸分布图，考察表面活性剂浓度对液态金属液滴尺寸的影响。脉动热管的基材是紫铜，弯管数为6，操作方向与水平水平方向的夹角为90°，脉动热管通道的横截面形状为正方形，且通道的水力直径为3mm。脉动热管的工作介质为镓锡铟合金(该镓锡铟合金中镓、铟、锡的质量分数分别为68.5％、21.5％和10％)和十二烷基苯磺酸钠阴离子表面活性剂溶液。脉动热管混合工质的总体积充液率为70％，其中，混合工质中液态金属填充量占总工质充液量的20％(质量分数)，表面活性剂溶液所占质量分数为80％，该表面活性剂溶液中表面活性剂的质量浓度是0.4％-2％，加热功率340W。由图8可知，在此液态金属的填充比例下，液态金属液滴的尺寸先降低后升高，存在最优的表面活性剂浓度，最优的表面活性剂的质量浓度是0.4％-1％。表面活性剂浓度较低时，液态金属液滴表面附着的表面活性剂较少，液滴之间的排斥力降低，生成的液态金属液滴容易合并，存在较大尺寸的液态金属液滴。当表面活性剂浓度较高时，溶液的粘度显著升高，不利于气泡3的生成和液态金属液滴的分散。

实施例7

本实施例中，图9是一种脉动热管中液态金属纳米级液滴的尺寸分布图。脉动热管的基材是紫铜，弯管数为6，操作方向与水平水平方向的夹角为90°，脉动热管通道的横截面形状为正方形，且通道的水力直径为3mm。脉动热管的工作介质为纯镓和十二烷硫酸钠阴离子表面活性剂溶液。脉动热管混合工质的总体积充液率为70％，其中，混合工质中液态金属填充量占总工质充液量的20％(质量分数)，表面活性剂溶液所占质量分数为80％，该表面活性剂溶液中表面活性剂的质量浓度是0.4％。脉动热管的加热功率是100W至380W。由图9可知，随着脉动热管的运行，液态金属镓被分散成微米和纳米级的镓液滴，混合工质的颜色逐渐由透明变为灰色。取出工作介质，对形成的纳米流体通过纳米粒度电位仪进行分析，得出大部分纳米镓颗粒的尺寸分布在100nm至1000nm范围内。

实施例8

本实施例中，图10为相同充液率下液态金属微纳液滴脉动热管和纯水脉动热管的热阻对比图，即液态金属微纳颗粒脉动热管的热阻，以及工质为水的脉动热管的热阻。脉动热管的基材是紫铜，弯管数为6，操作方向与水平水平方向的夹角为90°，脉动热管通道的横截面形状为正方形，且通道的水力直径为3mm，纯水脉动热管的充液率是70％。液态金属微纳液滴脉动热管的工作介质为镓锡铟合金(该镓锡铟合金中镓、铟、锡的质量分数分别为68.5％、21.5％和10％)和十二烷基苯磺酸钠阴离子表面活性剂溶液。脉动热管混合工质的总体积充液率为70％，其中，混合工质中液态金属填充量占总工质充液量的20％(质量分数)，表面活性剂溶液所占质量分数为80％，该表面活性剂溶液中表面活性剂的质量浓度是0.4％，加热功率从100W开始，脉动热管稳定运行20分钟后，升高加热功率，每次均升高40W，直至脉动热管蒸发段的平均温度达到100℃，脉动热管蒸发段温度为100℃定义为脉动热管的热负荷。由图10可知，随着加热功率的升高，两种脉动热管的热阻均呈降低趋势，在相同加热功率下，与工质为水的脉动热管相比，液态金属微纳液滴脉动热管的热阻显著降低，且液态金属微纳液滴脉动热管的热负荷升高。工质为水的脉动热管的热负荷是340W，而液态金属微纳液滴脉动热管的热负荷为380W。

实施例9

本实施例中，图11为液态金属微纳液滴脉动热管的传热强化效率图，即液态金属微纳液滴脉动热管与工质为纯水的脉动热管性能对比。脉动热管的实验条件与实例8相同，传热强化效率的定义为：

由图11可知，随着加热功率的增加，液态金属微纳液滴2的尺寸逐渐减小，且分布更均匀。随着液态金属液滴尺寸的减小，脉动热管的传热强化效率升高，当加热功率为300W以上时，与相同充液率的纯水脉动热管相比，此液态金属微纳液滴脉动热管的传热性能提高了20％-25％。

本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其中液态金属微纳液滴2的尺寸分布可通过表面活性剂的种类、表面活性剂的浓度和加热功率及操作方式进行调控。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (9)

1.一种液态金属微纳液滴为工质的脉动热管，其特征在于，包括脉动热管，所述脉动热管的工质是主要由液态金属和表面活性剂溶液组成的混合工质，所述表面活性剂溶液由表面活性剂和水组成，所述液态金属被所述表面活性剂包覆，其中，所述脉动热管的蒸发段在加热条件下，产生大量微小气泡，所述液态金属被产生的气泡分散成多个具有微纳尺度的液态金属液滴，所述液态金属液滴分散在所述表面活性剂溶液中，在表面活性剂的作用下降低溶液的表面张力，使液态金属液滴不易合并，分散成稳定存在的微纳液滴，所述液态金属液滴在所述脉动热管运行阶段自发产生；

所述液态金属液滴尺寸具有一定分布范围，毫米级液滴、微米级液滴和纳米级液滴同时存在或微米级液滴和纳米级液滴同时存在；

所述表面活性剂溶液中表面活性剂的质量浓度为0.01%-5%，加热功率为100W至380W。

2.根据权利要求1所述的液态金属微纳液滴为工质的脉动热管，其特征在于，所述液态金属为在20℃-50℃温度下呈液态的镓、铟、或锡中的一种，或一种以上的组合形式。

3.根据权利要求1所述的液态金属微纳液滴为工质的脉动热管，其特征在于，所述表面活性剂至少为阴离子表面活性剂、阳离子表面活性剂或非离子表面活性剂中的一种，或一种以上的组合形式；所述阴离子表面活性剂为包含8-16个碳原子的烷基硫酸盐，或包含8-16个碳原子的烷基磺酸盐，或包含8-16个碳原子的烷基苯磺酸盐；所述阳离子表面活性剂为包含8-18个碳原子的烷基二甲胺氧化物；所述非离子表面活性剂为聚乙二醇或聚乙二醇辛基苯基醚中的一种，或一种以上的组合形式，其中，所述聚乙二醇的分子量为2000-10000。

4.根据权利要求1所述的液态金属微纳液滴为工质的脉动热管，其特征在于，所述脉动热管的弯管数大于或等于6。

5.根据权利要求1或4所述的液态金属微纳液滴为工质的脉动热管，其特征在于，所述脉动热管的操作方向与水平方向的夹角为0°-90°。

6.根据权利要求5所述的液态金属微纳液滴为工质的脉动热管，其特征在于，所述脉动热管的基材为紫铜、不锈钢或特氟龙材料。

7.根据权利要求1所述的液态金属微纳液滴为工质的脉动热管，其特征在于，所述脉动热管混合工质的总体积充液率范围为30%-80%，其中，所述混合工质中所述液态金属所占质量分数为10%-60%，所述表面活性剂溶液所占质量分数为40%-90%。

8.根据权利要求1或7所述的液态金属微纳液滴为工质的脉动热管，其特征在于，所述脉动热管的工作温度范围为30℃-100℃。

9.根据权利要求8所述的液态金属微纳液滴为工质的脉动热管，其特征在于，所述脉动热管的水力直径为2mm-4mm；所述脉动热管内的通道形状为矩形、正方形或圆形。

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